JP7494972B1

JP7494972B1 - 静電チャック

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Publication number: JP7494972B1
Application number: JP2023049634A
Authority: JP
Inventors: 雅文池口; 泰之新美; 悠雅宮本; 淳平上藤
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2023-03-27
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2024-06-04
Anticipated expiration: 2043-03-27

Abstract

【課題】基板の面内温度分布のばらつきを十分に抑制することのできる静電チャック、を提供する。
【解決手段】静電チャック１０は、誘電体基板１００と、誘電体基板１００に内蔵された線状のヒーター５００と、誘電体基板１００に接合されたベースプレート２００と、を備える。ベースプレート２００のうち誘電体基板１００側の面２１０には開口２４１が形成されている。誘電体基板１００の面１１０に対し垂直な方向から見た場合において、ヒーター５００のうち開口２４１と重なっている部分では、ヒーター５００の伸びている方向に沿った端部となる位置におけるヒーター５００の線幅Ｗ１に比べて、同方向に沿った中央となる位置におけるヒーター５００の線幅Ｗ２の方が大きい。
【選択図】図６

Description

本発明は静電チャックに関する。

例えばＣＶＤ装置やエッチング装置のような半導体製造装置には、処理の対象となるシリコンウェハ等の基板を吸着し保持するための装置として、静電チャックが設けられる。静電チャックは、吸着電極が設けられた誘電体基板と、誘電体基板を支持するベースプレートと、を備え、これらが互いに接合された構成を有する。吸着電極は、誘電体基板に内蔵されるのが一般的であるが、金属であるベースプレートが吸着電極として用いられる場合もある。吸着電極に電圧が印加されると静電力が生じ、誘電体基板上に載置された基板が吸着され保持される。

エッチング等の処理中においては、基板の温度を適切な温度に維持する必要がある。このため、下記特許文献１に記載されているように、静電チャックには温度調整のためのヒーターが内蔵されることがある。

特許第７１８５５４４号公報

ベースプレートのうち静電チャックに接合される面には、例えば温度センサを配置すること等を目的として開口が形成されている。誘電体基板のうち、このような開口の直上の部分では、ベースプレートへの熱引きが行われにくいことにより、処理中においては局所的な温度上昇が生じやすい。そこで、上記特許文献１に記載の静電チャックでは、開口の直上となる部分においてヒーターの線幅を太くしてある。開口の直上、すなわち局所的な温度上昇が生じやすい部分において、ヒーターの発熱量が小さくなるので、基板の面内温度分布のばらつきを抑制することが可能となる。

しかしながら、ヒーターのうち開口と重なっている部分に限った場合でも、温度上昇の生じやすさは一様ではなく場所によって異なっている。例えば、ヒーターのうち、開口の縁と重なっている部分においては熱引きが比較的行われやすい一方で、開口の中央と重なっている部分においては熱引きが比較的行われにくい。上記特許文献１に記載の静電チャックでは、開口と重なっている部分の全体において、ヒーターの線幅が一様となっている。このため、開口の直上においては、局所的な温度上昇が依然として生じてしまうものと思われる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、基板の面内温度分布のばらつきを十分に抑制することのできる静電チャック、を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る静電チャックは、被吸着物が載置される載置面を有する誘電体基板と、誘電体基板に内蔵された線状のヒーターと、誘電体基板のうち載置面とは反対側の面に接合されたベースプレートと、を備える。ベースプレートのうち誘電体基板側の面には開口が形成されている。載置面に対し垂直な方向から見た場合において、ヒーターのうち開口と重なっている部分では、ヒーターの伸びている方向に沿った端部となる位置におけるヒーターの線幅に比べて、同方向に沿った中央となる位置におけるヒーターの線幅の方が大きい。

このような構成の静電チャックでは、ヒーターのうち開口と重なっている部分の線幅が一様とはなっておらず、当該部分の端部における線幅よりも、中央における線幅の方が局所的に大きくなっている。熱引きが比較的行われやすい端部の発熱量に比べて、熱引きが比較的行われにくい（つまり温度上昇しやすい）中央での発熱量が抑制されるので、開口の直上における温度分布が概ね均等となる。これにより、基板の面内温度分布のばらつきを十分に抑制することができる。尚、ここでいう「中央」とは、ヒーターのうち上面視で開口と重なっている部分の中央のことであり、開口の中央とは一致しない場合もある。

また、本発明に係る静電チャックでは、載置面に対し垂直な方向から見た場合において、ヒーターのうち開口と重なっている部分では、ヒーターの線幅が、ヒーターの伸びている方向に沿った中央となる位置において最も大きいことも好ましい。ベースプレートへの熱引きが最も行われにくい（つまり最も温度上昇しやすい）中央において、ヒーターの発熱量が最も小さくなるので、開口の直上における温度分布を更に均等に近づけることができる。

また、本発明に係る静電チャックでは、載置面に対し垂直な方向から見た場合において、ヒーターのうち開口と重なっている部分では、ヒーターの線幅が、ヒーターの伸びている方向に沿った中央となる位置に近づくに従って、次第に大きくなっていることも好ましい。上面視において開口と重なる部分におけるヒーターの発熱量は、端部側から中央側に行くに従って次第に小さくなる。上記構成の静電チャックでは、開口の内側における熱引きの分布に合わせて、ヒーターの発熱量の分布が適切に調整されるので、開口の直上における温度分布を更に均等に近づけることができる。

また、本発明に係る静電チャックでは、載置面に対し垂直な方向から見た場合において、ヒーターのうち開口と重なっている部分では、ヒーターの線幅が、ヒーターの伸びている方向に沿った中央となる位置に近づくに従って、段階的に大きくなっていることも好ましい。このような構成とすることで、端部よりも中央の線幅の方が大きくなっている形状のヒーターを容易に形成することができる。

本発明によれば、基板の面内温度分布のばらつきを十分に抑制することのできる静電チャック、を提供することができる。

本実施形態に係る静電チャックの構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係る誘電体基板に内蔵される、複数のヒーターの配置の例を説明するための図である。本実施形態に係る誘電体基板に内蔵される、ヒーターの構成の例を示す図である。誘電体基板に内蔵される、複数のヒーターの配置の他の例を説明するための図である。誘電体基板に内蔵される、ヒーターの構成の他の例を示す図である。本実施形態に係る静電チャックの、上面視で開口と重なる部分におけるヒーターの形状の例を示す図である。本実施形態に係る静電チャックの、上面視で開口と重なる部分におけるヒーターの形状の他の例を示す図である。本実施形態に係る静電チャックの、上面視で開口と重なる部分におけるヒーターの形状の他の例を示す図である。本実施形態に係る静電チャックの、上面視で開口と重なる部分におけるヒーターの形状の他の例を示す図である。比較例に係る静電チャックの、上面視で開口と重なる部分におけるヒーターの形状を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本実施形態に係る静電チャック１０は、例えばＣＶＤ成膜装置のような不図示の半導体製造装置の内部において、処理対象となる基板Ｗを静電力によって吸着し保持するものである。基板Ｗは、例えばシリコンウェハである。静電チャック１０は、半導体製造装置以外の装置に用いられてもよい。

図１には、基板Ｗを吸着保持した状態の静電チャック１０の構成が、模式的な断面図として示されている。静電チャック１０は、誘電体基板１００と、ベースプレート２００と、接合層３００と、を備える。

誘電体基板１００は、セラミック焼結体からなる略円盤状の部材である。誘電体基板１００は、例えば高純度の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を含むが、他の材料を含んでもよい。誘電体基板１００におけるセラミックスの純度や種類、添加物等は、半導体製造装置において誘電体基板１００に求められる耐プラズマ性等を考慮して、適宜設定することができる。

誘電体基板１００のうち図１における上方側の面１１０は、被吸着物である基板Ｗが載置される「載置面」となっている。また、誘電体基板１００のうち図１における下方側の面１２０（つまり、面１１０とは反対側の面１２０）は、後述の接合層３００を介してベースプレート２００に接合される「被接合面」となっている。面１１０に対し垂直な方向に沿って、面１１０側から静電チャック１０を見た場合の視点のことを、以下では「上面視」のようにも表記する。

誘電体基板１００の内部には吸着電極１３０が埋め込まれている。吸着電極１３０は、例えばタングステン等の金属材料により形成された薄い平板状の層であり、面１１０に対し平行となるように配置されている。吸着電極１３０の材料としては、タングステンの他、モリブデン、白金、パラジウム等を用いてもよい。給電路１３を介して外部から吸着電極１３０に電圧が印加されると、面１１０と基板Ｗとの間に静電力が生じ、これにより基板Ｗが吸着保持される。吸着電極１３０は、所謂「双極」の電極として本実施形態のように２つ設けられていてもよいが、所謂「単極」の電極として１つだけ設けられていてもよい。

図１においては、給電路１３の全体が簡略化して描かれている。給電路１３のうち誘電体基板１００の内部の部分は、例えば、導電体の充填された細長いビア（穴）として構成されており、その下端には不図示の電極端子が設けられている。給電路１３のうちベースプレート２００を貫いている部分は、上記の電極端子に一端が接続された導電性の金属部材（例えばバスバー）である。ベースプレート２００には、給電路１３を挿通するための不図示の貫通穴が形成されている。当該貫通穴の内面と給電路１３との間には、例えば円筒状の絶縁部材が設けられていてもよい。

誘電体基板１００と基板Ｗとの間には空間ＳＰが形成されている。半導体製造装置において成膜等の処理が行われる際には、空間ＳＰには、誘電体基板１００に形成された不図示のガス穴を介して外部から温度調整用のヘリウムガスが供給される。誘電体基板１００と基板Ｗとの間にヘリウムガスを介在させることで、両者間の熱抵抗が調整され、これにより基板Ｗの温度が適温に保たれる。尚、空間ＳＰに供給される温度調整用のガスは、ヘリウムとは異なる種類のガスであってもよい。

吸着面である面１１０上にはシールリング１１１やドット１１２が設けられており、空間ＳＰはこれらの周囲に形成されている。

シールリング１１１は、最外周となる位置において空間ＳＰを区画する壁である。それぞれのシールリング１１１の上端は面１１０の一部となっており、基板Ｗに当接する。尚、空間ＳＰを分割するように複数のシールリング１１１が設けられていてもよい。このような構成とすることで、それぞれの空間ＳＰにおけるヘリウムガスの圧力を個別に調整し、処理中における基板Ｗの表面温度分布を均一に近づけることが可能となる。

図１等において符号「１１６」が付されている部分は、空間ＳＰの底面である。以下では、当該部分のことを「底面１１６」とも称する。シールリング１１１は、次に述べるドット１１２と共に、面１１０の一部を底面１１６の位置まで掘り下げた結果として形成されている。底面１１６には、ヘリウムガスを空間ＳＰ内で素早く拡散させるための溝が形成されていてもよい。

ドット１１２は、底面１１６から突出する円形の突起である。ドット１１２は複数設けられており、誘電体基板１００の吸着面において略均等に分散配置されている。それぞれのドット１１２の上端は、面１１０の一部となっており、基板Ｗに当接する。このようなドット１１２を複数設けておくことで、基板Ｗの撓みが抑制される。

誘電体基板１００にはヒーター５００が内蔵されている。ヒーター５００は、外部から電力の供給を受けて発熱する電気ヒーターである。ヒーター５００は、例えばタングステン等の金属材料により形成された薄い平板状の層であって、吸着電極１３０と面１２０との間となる位置に埋め込まれている。ヒーター５００の材料としては、タングステンに限らず他の材料を用いてもよい。ヒーター５００は、面１１０に対し平行な線状のパターンとして引き回されている。ヒーター５００の具体的な形状については後に説明する。

ヒーター５００は複数設けられており、上面視において互いに異なる位置に配置されている。これにより、それぞれのヒーター５００における発熱量を個別に調整し、基板Ｗの面内温度分布のばらつきを抑制することが可能となっている。それぞれのヒーター５００は、面１１０からの距離（つまり埋め込み深さ）において互いに同じである。

それぞれのヒーター５００には、一対の給電路５１、５２が接続されている。給電路５１、５２は、ヒーター５００に電力を供給するための電路を構成するものであって、線状であるヒーター５００の両端のそれぞれに接続されている。図１においては、複数ある給電路５１、５２のうちの一部のみが図示されている。

先に述べた給電路１３と同様に、図１においては、給電路５１、５２の全体が簡略化して描かれている。給電路５１、５２のうち誘電体基板１００の内部の部分は、例えば、導電体の充填された細長いビア（穴）として構成されており、その下端には不図示の電極端子が設けられている。給電路５１、５２のうちベースプレート２００を貫いている部分は、上記の電極端子に一端が接続された棒状の金属（バスバー）である。ベースプレート２００には、当該金属を挿通するための不図示の貫通穴が形成されている。

給電路５１、５２は、それぞれのヒーター５００に対応して個別に設けられている。つまり、給電路５１、５２のそれぞれの数は、ヒーター５００の数と等しい。ただし、給電路５１、５２のうち、例えば接地電位とされる方の電路が、複数のヒーター５００の間で共用されていてもよい。この場合、ヒーター５００への給電用に設けられる電極端子の数は、給電路５１、５２の総数よりも少なくなる。

ベースプレート２００は、誘電体基板１００を支持するために、誘電体基板１００の面１２０に接合される略円盤状の部材である。ベースプレート２００は、例えばアルミニウムのような金属により形成されている。ベースプレート２００のうち、図１における上方側の面２１０は、接合層３００を介して誘電体基板１００に接合される「被接合面」となっている。面２１０を含むベースプレート２００の表面は、例えばアルミナ溶射膜のような絶縁膜で覆われていてもよい。

接合層３００は、誘電体基板１００とベースプレート２００との間に設けられた層であって、両者を接合している。接合層３００は、絶縁性の材料からなる接着材を硬化させたものである。このような接着剤としては、例えばシリコーン系の接着剤を用いることができる。

ベースプレート２００には、面２１０から、図１における下方側の面２２０側に向かって垂直に伸びる貫通穴２４０が形成されている。面２１０には、貫通穴２４０の上端である開口２４１が形成されている。貫通穴２４０及び開口２４１は、誘電体基板１００の面１２０に、測温センサＴＣを取り付けることを目的として形成されている。

測温センサＴＣは、処理中における誘電体基板１００の各部の温度を測定するためのセンサであり、例えば熱電対である。測温センサＴＣから伸びる信号線１４は、貫通穴２４０を通じて外部へと引き出されている。

測温センサＴＣは、面１２０の複数の箇所に取り付けられている。これに対応して、ベースプレート２００には貫通穴２４０及び開口２４１が複数形成されている。ただし、図１においては、測温センサＴＣ、貫通穴２４０、及び開口２４１がそれぞれ１つだけ図示されている。

ベースプレート２００の面２１０には、開口２４１とは別に他の開口が形成されていてもよい。このような開口としては、例えば、ヘリウムガスを誘電体基板１００に供給するための開口や、給電路１３、５１、５２を通すための開口等が含まれ得る。それぞれの開口からベースプレート２００の内部へと伸びる穴は、貫通穴２４０のように全体が直線状に伸びるように形成されていてもよいが、面２２０に向かう途中で屈曲するように形成されていてもよい。

ベースプレート２００の内部には、冷媒を流すための冷媒流路２５０が形成されている。半導体製造装置において成膜等の処理が行われる際には、外部から冷媒が冷媒流路２５０に供給され、これによりベースプレート２００が冷却される。処理中において基板Ｗで生じた熱は、空間ＳＰのヘリウムガス、誘電体基板１００、及びベースプレート２００を介して冷媒へと伝えられ、冷媒と共に外部へと排出される。

ヒーター５００の構成について説明する。図２には、誘電体基板１００が上面視で模式的に描かれている。同図に示されるそれぞれの領域ＨＡは、単一のヒーター５００が引き回される領域を表している。図２の例では、３つの領域ＨＡが同心円状に並んでおり、それぞれの領域ＨＡにおいて個別にヒーター５００が引き回されている。つまり、この例においてヒーター５００は３つ設けられる。

図３には、図２において符号「ＨＡ１」が付された領域ＨＡと、当該領域ＨＡ１において引き回されているヒーター５００の形状が上面視で模式的に示されている。図３に示されるように、領域ＨＡ１には一対の給電路５１、５２が配置されており、これらの間を繋ぐように、１本の線状のヒーター５００が引き回されている。尚、図３においては、ヒーター５００の線幅が場所によらず均等となるように描かれているのであるが、後に説明するように、一部においてはヒーター５００の線幅が局所的に大きくなっている。尚、ここでいう「線幅」とは、上面視において、ヒーター５００が伸びている方向に対し垂直な方向に沿った、ヒーター５００の寸法のことである。

尚、以上のようなヒーター５００の構成はあくまで一例であって、ヒーター５００の数、配置、形状等は適宜変更してもよい。図４には、複数の領域ＨＡを、図２とは異なるように配置した場合の例が示されている。この例では、計１６個の領域ＨＡが並んでおり、それぞれの領域ＨＡにおいて個別にヒーター５００が引き回されている。図５には、図４において符号「ＨＡ２」が付された領域ＨＡと、当該領域ＨＡ２において引き回されているヒーター５００の形状が上面視で模式的に示されている。以下に説明するヒーター５００の形状は、誘電体基板１００におけるヒーター５００の数や配置がどのようなものであっても採用することができる。

先に述べたように、ベースプレート２００のうち誘電体基板１００側の面２１０には、開口２４１が形成されている。図３や図５に示されるように、各領域ＨＡにおいては、線状のヒーター５００が密に引き回されているので、ヒーター５００の一部は上面視において開口２４１と重なっている。図６には、ヒーター５００のうち開口２４１の直上の部分が上面視で描かれている。

上面視で開口２４１の内側にあるヒーター５００のうち、ヒーター５００の伸びている方向（図６においては左右方向）に沿った端部となる部分のことを、以下では「端部５１０」とも称する。また、上面視で開口２４１の内側にあるヒーター５００のうち、ヒーター５００の伸びている方向に沿った中央となる部分のことを、以下では「中央部５２０」とも称する。

図６に示されるように、ヒーター５００のうち上面視で開口２４１と重なっている部分では、端部５１０におけるヒーター５００の線幅Ｗ１に比べて、中央部５２０におけるヒーター５００の線幅Ｗ２の方が大きくなっている。

このような構成としたことの理由について説明する。誘電体基板１００のうち、上面視で開口２４１と重なる部分では、ベースプレート２００への熱引きが行われにくく、基板Ｗ処理中においては局所的な温度上昇が生じやすい傾向がある。このような局所的な温度上昇は、開口２４１の縁の近傍では生じにくく、縁から遠ざかるほど（つまり開口２４１の中心に近づくほど）生じやすい。

このため、図１０に示される比較例のように、端部５１０における線幅Ｗ１と中央部５２０における線幅Ｗ２が互いに等しい場合、すなわち、開口２４１と重なっている部分の全体においてヒーター５００の線幅が均等である場合には、開口２４１の中心の直上となる位置において、局所的な温度上昇が生じてしまう可能性がある。

そこで、本実施形態に係る静電チャック１０では、図６のように、開口２４１の直上においてヒーター５００の線幅を局所的に太くしてある。開口２４１の直上、すなわち局所的な温度上昇が生じやすい部分において、ヒーター５００の発熱量が小さくなるので、基板Ｗの面内温度分布のばらつきを抑制することが可能となっている。

更に本実施形態では、ヒーター５００のうち開口２４１と重なっている部分の線幅が一様とはなっておらず、端部５１０における線幅Ｗ１よりも、中央部５２０における線幅Ｗ２の方が局所的に大きくなっている。熱引きが比較的行われやすい端部５１０の発熱量に比べて、熱引きが比較的行われにくい（つまり温度上昇しやすい）中央部５２０での発熱量が抑制されるので、開口２４１の直上における温度分布が概ね均等となる。これにより、基板Ｗの面内温度分布のばらつきを十分に抑制することが可能となっている。

また、本実施形態では、ヒーター５００のうち上面視において開口２４１と重なっている部分では、ヒーター５００の線幅が、中央部５２０の位置において最も大きくなっている。ヒーター５００のうち、ベースプレート２００への熱引きが最も行われにくい（つまり最も温度上昇しやすい）部分である中央部５２０において、ヒーター５００の発熱量が最も小さくなるので、開口２４１の直上における温度分布を更に均等に近づけることができる。

図６に示されるように、ヒーター５００のうち上面視において開口２４１と重なっている部分では、ヒーター５００の線幅が、ヒーター５００の伸びている方向に沿って中央部５２０に近づくに従って、次第に大きくなっている。このような構成とすることで、開口２４１と重なる部分におけるヒーター５００の発熱量は、端部５１０側から中央部５２０側に行くに従って次第に小さくなる。開口２４１の内側における熱引きの分布に合わせて、ヒーター５００の発熱量の分布が適切に調整されるので、開口２４１の直上における温度分布を更に均等に近づけることができる。

尚、図６の例では、上面視において開口２４１の中心を通る経路で、ヒーター５００が引き回されている。これに対し、図７の変形例では、上面視において開口２４１の中心を通らない経路で、ヒーター５００が引き回されている。図７の変形例においても図６と同様に、中央部５２０の線幅Ｗ２が、端部５１０の線幅Ｗ１よりも大きくなっている。このような変形例の構成であっても、図６の構成について説明した上記効果と同様の効果を奏することができる。

図８には、他の変形例が示されている。この変形例では、ヒーター５００の一部が、開口２４１と同心であり且つ直径がＷ２の円形となるように形成されている。それ以外の部分におけるヒーター５００の線幅は、一定のＷ１となっている。このような変形例の構成であっても、図６の構成について説明した上記効果と同様の効果を奏することができる。

図９には、更に他の変形例が示されている。この変形例では、ヒーター５００の線幅が、端部５１０側から中央部５２０に近づくに従って段階的に大きくなっている。尚、ヒーター５００の段数は、この変形例では３段であるが、２段又は１段であってもよく、４段以上であってもよい。このような変形例の構成であっても、図６の構成について説明した上記効果と同様の効果を奏することができる。この変形例の構成とした場合には、端部５１０よりも中央部５２０の線幅の方が大きくなっている形状のヒーター５００を、容易に形成することができるという利点も得られる。

以上においては、測温センサＴＣを取り付けるための開口２４１の直上で、ヒーター５００の線幅を局所的に大きくした場合の例について説明した。しかしながら、面２１０に形成された他の開口の直上においても、上記と同様のヒーター５００の構成を採用することができる。

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

１０：静電チャック
１００：誘電体基板
１１０，１２０:面
２００：ベースプレート
２１０，２２０：面
２４１：開口
５００：ヒーター
５１０：端部
５２０：中央部
Ｗ１，Ｗ２：線幅

Claims

被吸着物が載置される載置面を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板に内蔵された線状のヒーターと、
前記誘電体基板のうち前記載置面とは反対側の面に接合されたベースプレートと、を備え、
前記ベースプレートのうち前記誘電体基板側の面には開口が形成されており、
前記載置面に対し垂直な方向から見た場合において、
前記ヒーターのうち前記開口と重なっている部分では、
前記ヒーターの伸びている方向に沿った端部となる位置における前記ヒーターの線幅に比べて、同方向に沿った中央となる位置における前記ヒーターの線幅の方が大きく、
前記載置面に対し垂直な方向から見た場合において、
前記ヒーターのうち前記開口と重なっている部分では、
前記ヒーターの線幅が、前記ヒーターの伸びている方向に沿った中央となる位置において最も大きく、
前記ヒーターの線幅が、
前記ヒーターの伸びている方向に沿った中央となる位置に近づくに従って、段階的に大きくなっていることを特徴とする、静電チャック。